磁电层状结构的有限元分析

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1、磁电层状结构的有限元分析1.1磁电层状结构的有限元分析方法国内外研究现状有限元方法是从力学的角度，简化现实中几何形状、材料特性、边界条件、类型的构件组合，并能正确的假设，在很多物理问题中均可应用。冇限元方法被很快地应用到压电弹性体与磁电复合材料的振动分析屮，从简单的一维问题，到二维问题，以及三维复杂结构问题的求解，经历了仅仅儿十年。其间，许多团体和个人坚持不懈的从事压电弹性体与磁电复合材料的有限元分析方面的研究，也已经取得了一些成果。在磁电层状结构板的有限元分析方面，R.GarciaLage等人用局部混合有限元模型（里斯混合变分

2、原理）对磁电层状结构板进行分析[30]o层叠板中的压电材料为（B）,磁致仲缩材料为（F）,对B/F/B或F/B/F层叠顺序分别进行分析，得到了应力、应变、位移、电势、磁势等一系列结果Jose.M.SimoesMoita等人用高阶有限元模型（即广义位移为24自由度的单层三角板后壳体单元）对磁电层状结构板进行了静态和自由振动的有限元分析[31]oN.Ganesan等人对功能梯度磁电层叠板的静态和自由振动进行了有限元分析。研究了不同幕率指数下的功能梯度磁电板的振动以及高次谐波模式下的功能梯度磁电板的振动[32-33],刘强等人对结构为

3、磁致伸缩层/压电层/磁致伸缩层的磁电复合材料，用有限元软件对其进行了静态分析[34]o在磁电柱形壳的有限元分析方面，N.Ganesan等人对单层多向的柱形壳（即不同的磁电容积率）和两层的柱形壳（内层是压电材料，外层是磁致伸缩材料）进行研究[35][36]o此外，他们还对有恒定内部压力的压电材料、磁致仲缩材料与磁电材料的柱形壳的自由振动进行有限元分析[3刀。在磁电传感器和磁电梁有限元分析方面，N.Ganesan等人对多相的磁电材料的梁进行有限元分析[38]。此外，他们还对压电、磁致伸缩、磁电传感器在瞬吋机械加载下的反应进行了研究[

4、39]o1.2本文的研究内容本文主要通过有限元和实验的方法研究了磁电层状结构的磁电效应，并研究了偏置磁场下磁致伸缩层一压电半空间复合介质中Rayleigh波的传播。将磁致伸缩材料与压电材料复合在一起，可以实现磁能和电能的相互转换，用来制作磁电传感器。为了设计出更好的磁电传感器，先用有限元分析磁电层状结构的模型，再通过现实实验來进行验证，最后得出结论。本文主要研究的：（1）使用COMSOL有限元软件屮的PDE模块对层状磁电材料进行了分析计算。COMSOL软件中的PDE模块是将偏微分方程写入来进行计算分析的。本文将磁电本构方程代入到

5、麦克斯韦方程组和运动方程中，在写成矩阵形式写入到PDE模块中，对层状磁电材料进行计算分析。主要计算出了谐振频率以及磁电耦合系数。⑵采购所需设备仪器，设计磁电效应测试系统，搭建实验平台，制备压电/磁致伸缩磁/压电层状结构试件，对其进行实验研究。分别研究了外置磁场对磁电层状结构试件的磁电电压转化系数以及谐振频率的影响，谐振状态和低频状态下的磁电电压转化系数以及磁电层状结构试件对偏置磁场的灵敏度。（3）偏置磁场下磁致伸缩层/压电半空间复合介质屮Rayleigh波的传播。进一步研究了偏置磁场压电半空间覆盖有磁致仲缩层薄层的结构中Rayl

6、eigh波的传播特性，根据不同的边界条件、界面连续条件，得到了表面波传播的相速度方程以及位移方程，讨论了边界条件与材料性能对频散特性的影响。2磁电层状结构的有限元分析压电/磁致伸缩/压电层状结构的磁电效应，是由磁致伸缩层与压电层的“乘积效应”产牛的：在外置磁场的作用下，磁致伸缩层产生应变，此形变通过联接层传递到压电层，压电层由逆压电效应而产生电势，从而可以实现将磁场转化成电场。为了有效地设计、开发磁致伸缩/压电/磁致伸缩层状结构的器件，要实验来验证磁电复合结构的磁电效应。前一章已经对压电/磁致伸缩/压电层状结构进行了有限元分析，

7、本章将対层状结构进行实验研究。首先介绍采用压电/磁致伸缩/压电层状结构实验器件的制备以及实验系统的构建，然后在实验平台上对器件进行测试和结果讨论。3.1实验器件与实验系统Fig.3.1Themodelofthelayeredstructureofmagnetoelectric图3.1磁电层状结构模型3.1.1实验系统的构建图3.1为L-T型三层(压电/磁致伸缩/压电)层状结构模型，其屮上下层为压电层，沿厚度方向磁化；中间为磁致伸缩层，沿长度方向极化。实验测试系统介绍实验仪器及参数性能①AC信号发生器AC信号发生器用于驱动线圈，产

8、生可以调节频率的交变磁场，选用的是盛普科技有限公司的型号为SPF05,其主要性能参数如下：具有的功能：能够产生方波，三角波，锯齿波，正眩波脉冲波，TTL波等波形幅度分辨率：12bits速率：200Msa/s频率范围:1Hz到5MHz幅度范围:2mV到20Vp-p